Работа двигателя внутреннего сгорания (ДВС) приводит к чрезмерному нагреванию всех его деталей и без их охлаждения функционирование главного агрегата транспортного средства невозможно. Эту роль выполняет система охлаждения двигателя, которая также отвечает за обогревание салона авто. В турбированных двигателях с ее помощью снижается температура воздуха, нагоняемого в цилиндры, а в АКПП эта система охлаждает жидкость, которая применяется для ее работы. Отдельные модели машин оснащают масляным радиатором, который принимает участие в терморегуляции масла, использующегося для смазки двигателя.
Система охлаждения ДВС бывает воздушная и жидкостная
Обе эти системы не идеальны и имеют как достоинства, так и недостатки.
Преимущества воздушной системы охлаждения:
- небольшой вес двигателя;
- простота устройства и его обслуживания;
- невысокая требовательность к температурным изменениям.
Недостатки воздушной системы охлаждения:
- большой шум от работы двигателя;
- перегрев отдельных деталей мотора;
- невозможность выстроить цилиндры блоками;
- затруднительность в использовании выделяемого тепла для обогревания салона авто.
В современных условиях автопроизводители предпочитают оснащать свои машины преимущественно двигателями с системами жидкостного охлаждения. Воздушные конструкции, охлаждающие узлы мотора, встречаются очень редко.
Преимущества жидкостной системы охлаждения:
- не такой шумный двигатель по сравнению с воздушной системой;
- высокая скорость начала работы при запуске мотора;
- равномерное охлаждение всех деталей силового механизма;
- меньшая предрасположенность к детонации.
Недостатки жидкостной системы охлаждения:
- дорогое техническое обслуживание и ремонт;
- возможное вытекание жидкости;
- частые переохлаждения мотора;
- замерзание системы в периоды морозов.
Структура жидкостной системы охлаждения двигателя
К основным составляющим жидкостной системы охлаждения ДВС относятся следующие детали:
- «водяная рубашка» двигателя
- вентилятор;
- радиатор;
- помпа (центробежный насос);
- термостат;
- бачок расширительный;
- теплообменник отопителя;
- составляющие элементы управления.
Водяная рубашка двигателя – это плоскость между стенками агрегата в тех местах, которым требуется охлаждение.
Радиатор системы охлаждения – это механизм, который предназначен для отдачи созданного работой двигателя тепла. Узел представляет собой конструкцию из многих изогнутых алюминиевых трубой, которые также имеют дополнительные ребра, способствующие большей теплоотдаче.
Вентилятор используется для ускорения циркуляции воздуха, обволакивающего радиатор. Вентилятор включается при граничном нагревании охлаждающей жидкости.
Центробежный насос (другими словами – помпа) обеспечивает беспрерывное движение жидкости во время работы двигателя. Привод для помпы может быть разным: ременной, например, или шестеренный. На авто с турбированными двигателями часто устанавливают добавочные насосы, которые способствуют циркуляции жидкости и запускаются из блока управления.
Термостат – это устройство в виде биметаллического (или электронного) клапана, расположенного между входным отверстием радиатора и «рубашкой охлаждения». Этот прибор обеспечивает нужную температуру жидкости, служащей для охлаждения ДВС. Когда мотор остывший, термостат закрыт, поэтому принудительная циркуляция остужающей жидкости проходит внутри двигателя, не затрагивая радиатор. В момент нагревания жидкости до граничной температуры клапан открывается. В этот момент система начинает функционировать во всю свою мощь.
Расширительный бачок используется для заливания охлаждающей жидкости. Этот узел компенсирует также изменение количества жидкости в системе во время изменения температуры.
Радиатор отопителя – механизм, предназначенный для подогрева воздуха в салоне транспортного средства. Его рабочая жидкость набирается непосредственно возле входа в «рубашку» мотора.
Главным элементом координации системы охлаждения ДВС есть датчик (температурный), электронный блок управления, а также исполнительные устройства.
Особенность работы системы охлаждения двигателя
Система охлаждения работает под контролем системы управления силовым агрегатом. Насос запускает циркуляцию жидкости в «рубашке охлаждения» двигателя. Учитывая степень нагрева, жидкость перемещается либо по малому, либо по большому кругу.
Чтобы двигатель быстрее прогрелся после запуска, жидкость циркулирует по кругу малому. После ее нагревания термостат открывается, предоставляя жидкости возможность циркулировать через радиатор, на выходе с которого на жидкость воздействует поток воздуха (встречного или от работающего вентилятора), который ее охлаждает.
В моторах с турбонаддувом может использоваться двухконтурная система охлаждения. Особенностью ее работы есть то, что один контур контролирует охлаждение нагнетаемого воздуха, а второй – охлаждение двигателя.
Система охлаждения предназначена для охлаждения деталей двигателя, нагреваемых в результате его работы. На современных автомобилях система охлаждения, помимо основной функции, выполняет ряд других функций, в том числе:
В зависимости от способа охлаждения различают следующие виды систем охлаждения: жидкостная (закрытого типа), воздушная (открытого типа) и комбинированная. В системе жидкостного охлаждения тепло от нагретых частей двигателя отводится потоком жидкости. Воздушная система для охлаждения использует поток воздуха. Комбинированная система объединяет жидкостную и воздушную системы.
На автомобилях наибольшее распространение получили система жидкостного охлаждения. Данная система обеспечивает равномерное и эффективное охлаждение, а также имеет меньший уровень шума. Поэтому, устройство и принцип действия системы охлаждения рассмотрены на примере системы жидкостного охлаждения.
Конструкция системы охлаждения бензинового и дизельного двигателей подобны. Система охлаждения двигателя включает множество элементов, среди которых радиатор охлаждающей жидкости, масляный радиатор, теплообменник отопителя, вентилятор радиатора, центробежный насос, а также расширительный бачок и термостат. В схему системы охлаждения включена «рубашка охлаждения» двигателя. Для регулирования работы системы используются элементы управления.
Радиатор предназначен для охлаждения нагретой охлаждающей жидкости потоком воздуха. Для увеличения теплоотдачи радиатор имеет специальное трубчатое устройство.
Наряду с основным радиатором в системе охлаждения могут устанавливаться масляный радиатор и радиатор системы рециркуляции отработавших газов. Масляный радиатор служит для охлаждения масла в системе смазки.
Радиатор системы рециркуляции отработавших газов охлаждает отработавшие газы, чем достигается снижение температуры сгорания топливно-воздушной смеси и образования оксидов азота. Работу радиатора отработавших газов обеспечивает дополнительный насос циркуляции охлаждающей жидкости, включенный в систему охлаждения.
Теплообменник отопителя выполняет функцию, противоположную радиатору системы охлаждения. Теплообменник нагревает, проходящий через него, воздух. Для эффективной работы теплообменник отопителя устанавливается непосредственно у выхода нагретой охлаждающей жидкости из двигателя.
Для компенсации изменения объема охлаждающей жидкости вследствие температуры в системе устанавливается расширительный бачок. Заполнение системы охлаждающей жидкостью обычно осуществляется через расширительный бачок.
Циркуляция охлаждающей жидкости в системе обеспечивается центробежным насосом. В обиходе центробежный насос называют помпой . Центробежный насос может иметь различный привод: шестеренный, ременной и др. На некоторых двигателях, оборудованных турбонаддувом, для охлаждения наддувочного воздуха и турбокомпрессора устанавливается дополнительный насос циркуляции охлаждающей жидкости, подключаемый блоком управления двигателем.
Термостат предназначен для регулировки количества охлаждающей жидкости, проходящей через радиатор, чем обеспечивается оптимальный температурный режим в системе. Термостат устанавливается в патрубке между радиатором и «рубашкой охлаждения» двигателя.
На мощных двигателях устанавливается термостат с электрическим подогревом, который обеспечивает двухступенчатое регулирование температуры охлаждающей жидкости. Для этого в конструкции термостата предусмотрено три рабочих положения: закрытое, частично открытое и полностью открытое. При полной нагрузке на двигатель с помощью электрического подогрева термостата производится его полное открытие. При этом температура охлаждающей жидкости снижается до 90°С, уменьшается склонность двигателя к детонации. В остальных случаях температура охлаждающей жидкости поддерживается в пределах 105°С.
Вентилятор радиатора служит для повышения интенсивности охлаждения жидкости в радиаторе. Вентилятор может иметь различный привод:
- механический (постоянное соединение с коленчатым валом двигателя );
- электрический (управляемый электродвигатель );
- гидравлический (гидромуфта ).
Наибольшее распространение получил электрический привод вентилятора, обеспечивающий широкие возможности для регулирования.
Типовыми элементами управления системы охлаждения являются датчик температуры охлаждающей жидкости, электронный блок управления и различные исполнительные устройства.
Датчик температуры охлаждающей жидкости фиксирует значение контролируемого параметра и преобразует его в электрический сигнал. Для расширения функций системы охлаждения (охлаждения отработавших газов в системе рециркуляции отработавших газов, регулирования работы вентилятора и др.) на выходе радиатора устанавливается дополнительный датчик температуры охлаждающей жидкости.
Сигналы от датчика принимает электронный блок управления и преобразует их в управляющие воздействия на исполнительные устройства. Используется, как правило, блок управления двигателем с устанавленным соответствующим программным обеспечением.
В работе системы управления могут использоваться следующие исполнительные устройства: нагреватель термостата, реле дополнительного насоса охлаждающей жидкости, блок управления вентилятором радиатора, реле охлаждения двигателя после остановки.
Принцип работы системы охлаждения
Работу системы охлаждения обеспечивает система управления двигателем. В современных двигателях алгоритм работы реализован на основе математической модели, которая учитывает различные параметры (температуру охлаждающей жидкости, температуру масла, наружную температуру и др.) и задает оптимальные условия включения и время работы конструктивных элементов.
Охлаждающая жидкость в системе имеет принудительную циркуляцию, которую обеспечивает центробежный насос. Движение жидкости осуществляется через «рубашку охлаждения» двигателя. При этом происходит охлаждение двигателя и нагрев охлаждающей жидкости. Направление движения жидкости в "рубашке охлаждения" может быть продольным (от первого цилиндра к последнему) или поперечным (от выпускного коллектора к впускному).
В зависимости от температуры жидкость циркулирует по малому или большому кругу. При запуске двигателя сам двигатель и охлаждающая жидкость в нем холодные. Для ускорения прогрева двигателя охлаждающая жидкость движется по малому кругу, минуя радиатор. Термостат при этом закрыт.
По мере нагрева охлаждающей жидкости термостат открывается, и охлаждающая жидкость движется по большому кругу – через радиатор. Нагретая жидкость проходит через радиатор, где охлаждается встречным потоком воздуха. При необходимости жидкость охлаждается потоком воздуха от вентилятора.
После охлаждения жидкость снова поступает в «рубашку охлаждения» двигателя. В ходе работы двигателя цикл движения охлаждающей жидкости многократно повторяется.
На автомобилях c турбонаддувом может применяться двухконтурная система охлаждения , в которой один контур отвечает за охлаждение двигателя, другой - за охлаждение наддувочного воздуха.
Система охлаждения предназначена для отвода тепла от механизмов и деталей двигателя, а также для поддержания нормального теплового режима двигателя.
На автомобильных двигателях наибольшее распространение получили жидкостные системы с принудительной циркуляцией охлаждающей жидкости.
Такие системы более эффективны в работе и вместе с пусковыми устройствами обеспечивают легкий пуск двигателя при отрицательных температурах окружающего воздуха и создают меньший шум при его работе (рис 1).
Система охлаждения состоит из:
рубашки охлаждения блока и головки блока цилиндров;
центробежного насоса;
термостата 4;
радиатора с расширительным бачком 1;
вентилятора 3;
соединительных патрубков и шлангов.
Систему охлаждения заполняют жидкостью через расширительный бачок 6 (рис. 3) или горловину радиатора.
В крышке радиатора или бачка выполнен паровоздушный клапан, который поддерживает повышенное давление в системе охлаждения при работе двигателя, повышая тем самым температуру Тосола.
Рис.1.
1 - радиатор; 14 - поршень;2 - крышка; 15 - сливной краник;3 - вентилятор; 16 - нижний бачок радиатора;4 - термостат;5 - жидкостный насос;6 - расширительный бачок;7 - головка цилиндров;8 - трубопровод к отопителю;9 - указатель температуры жидкости;10 - вентилятор отопителя;11 - радиатор отопителя;12 - рубашка охлаждения головки цилиндров;13 - рубашка охлаждения блока цилиндров.
По мере остывания остановленного двигателя клапан постепенно снижает давление, предотвращая разрыв радиатора и расширительного бачка. Для слива жидкости служат отверстия в нижней части радиатора и блоке цилиндров, закрытые резьбовыми пробками или снабженные краниками15.
Во время работы двигателя жидкость циркулирует в системе охлаждения двигателя под действием центробежного жидкостного насоса5охлаждающей жидкости. Распределением потока жидкости управляет термостат.
Пока двигатель не прогрет, жидкость циркулирует по малому кругу фактически в пределах рубашки охлаждения головки и блока цилиндров. По мере прогрева двигателя клапан термостата открывается, и часть жидкости, а затем и весь ее поток направляется в радиатор (большой круг циркуляции), где охлаждается потоком набегающего воздуха и вентилятором.
Крыльчатка вентилятора на некоторых двигателях приводится во вращение ременной передачей от шкива коленчатого вала. Более современная конструкция - электрический вентилятор системы охлаждения, работающий от бортовой электросети автомобиля и управляемый термодатчиком, установленным в бачке радиатора.
Система охлаждения двигателя конструктивно объединена с системой отопления пассажирского салона автомобиля. Нагретая жидкость поступает в радиатор отопителя8 из рубашки охлаждения головки блока цилиндров по верхнему трубопроводу, а отводится по нижнему трубопроводук насосу охлаждающей жидкости.
Поток жидкости через радиатор отопителя регулируется или перекрывается краном отопителя 9, управляемым с места водителя.
Рабочие процессы автомобильного двигателя проходят при высоких температурах, поэтому для обеспечения его работоспособности в течение длительного времени необходимо отводить лишнее тепло. Эту функцию обеспечивает система охлаждения (СО). В холодное время года за счет этого тепла производится обогрев салона.
В автомобилях, используемых турбонаддув, в функцию системы охлаждения входит понижение температуры воздуха, подаваемого в камеру сгорания. Дополнительно в один из кругов с системы охлаждения некоторых моделей автомобилей, оснащенных автоматической коробкой передач (АКПП), включается охлаждение масла в АКПП.
В автомобилях устанавливается два основных типа СО: водяной и воздушный. Принцип работы системы охлаждения двигателя с водяным охлаждением заключается в нагреве жидкости от силовой установки или других узлов и отдачи такого тепла в атмосферу через радиатор. В воздушной системе в качестве рабочего охладителя используется воздух. В обоих вариантах есть свои достоинства и недостатки.
Однако, большее распространение получила система охлаждения с циркуляцией жидкости.
Воздушная СО
Воздушное охлаждение
К основным достоинствам этой компоновки можно отнести простоту конструкции и обслуживания системы. Такая СО практически не увеличивает массу силового агрегата, а также не капризна к изменениям температуры окружающего воздуха. К негативу относится существенный отбор мощности мотора приводом вентилятора, повышенный уровень шума при работе, плохо сбалансированный отвод тепла от отдельных узлов, невозможность использования блочной системы двигателя, невозможность аккумулирования отводимого тепла для дальнейшего использования, например, обогрева салона.
Жидкостная СО
Охлаждение жидкостью
Система с применением отвода тепла с помощью специальной жидкости благодаря своей конструкции может эффективно отводить лишнее тепло от механизмов и отдельных деталей конструкции. В отличие от воздушной, устройство системы охлаждения двигателя с жидкостью способствует более быстрому набору рабочей температуру при запуске. Также моторы с антифризами работают существенно тише и подвержены меньшей детонации.
Элементы системы охлаждения
Рассмотрим подробнее, как работает система охлаждения двигателя на современных авто. Существенных различий между бензиновыми и дизельными моторами в этом плане нет.
В качестве «рубашки» для охлаждения мотора выступают конструкционные полости блока цилиндров. Они располагаются вокруг зон, из которых требуется отводить тепло. Для более быстрого отвода установлен радиатор, состоящий из изогнутых медных или алюминиевых трубок. Большое количество дополнительных ребер ускоряют процесс теплообмена. Такие ребра повышают охлаждающую плоскость.
Перед радиатором ставится нагнетающий воздух вентилятор. Приток более холодных потоков начинается после замыкания электромагнитной муфты. Она включается при достижении фиксированных температурных значений.
Работа термостата
Непрерывность циркуляции охлаждающей жидкости обеспечивается работой центробежного насоса. Ременная или шестеренчатая передача для него получает вращение от силовой установки.
Регулировкой направлений потоков занимается термостат.
Если температура охлаждающей жидкости не высокая, то циркуляция проходит по малому кругу, без включения в него радиатора. Если же допустимый тепловой режим превышен, то термостат пускает поток по большому кругу с участием радиатора.
Для закрытых гидравлических систем свойственно использование расширительных баков. Такой бачок предусмотрен и в СО автомобиля.
Циркуляция охлаждающей жидкости
Прогрев салона выполняется с помощью радиатора отопителя. Теплый воздух в данном случае не уходит в атмосферу, а запускается внутрь авто, создавая комфорт водителю и пассажирам в холодное время года. Для большей эффективности такой элемент устанавливается практически на выходе жидкости от блока цилиндров.
Водитель получает информацию о состоянии системы охлаждения с помощью температурного датчика. Сигналы также идут на блок управления. Он может самостоятельно подключать или выключать исполнительные приборы для соблюдения баланса в системе.
Работа системы
В качестве охлаждающих жидкостей применяются антифризы с множеством присадок, в том числе и антикоррозионными. Они помогают увеличить долговечность узлов и деталей, используемых в СО. Такую жидкость принудительно прокачивается по системе центробежным насосом. Начинается движение от блока цилиндров, наиболее горячей точки.
Вначале происходит движение по малому кругу с закрытым термостатом без захода в радиатор, ведь еще не набрана даже рабочая температура для мотора. После выхода в рабочий режим циркуляция происходит по большому кругу, где радиатор может охлаждаться встречным потоком или с помощью подключаемого вентилятора. После этого жидкость возвращается в «рубашку» вокруг блока цилиндров.
Есть автомобили с использованием двух контуров охлаждения.
Первый понижает температуру мотора, а второй заботиться о надувочном воздухе, охлаждая его для образования топливной смеси.
